Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von thermischer und/oder elektrischer Energie aus Sonnenlicht, mit mindestens einem Solarkollektor, der einen länglichen Absorber und einen den Absorber über seine Länge hinweg und umfänglich zumindest bereichsweise umschließenden, das Sonnenlicht optisch auf den Absorber konzentrierenden Energiekonzentrator aufweist.
Solarkollektoren mit optischen Energiekonzentratoren sind bekannt. Die bekannten Ausführungen beruhen entweder auf dem Prinzip einer Fresnel-Linse (s. hierzu beispielsweise die Druckschriften US-A-4 022 186, US-A-4 069 812 und US-A-4 337 759), einer Sammellinse oder einer Streulinse. Kollektoren, die nach dem Prinzip der Fresnel-Linse oder der Sammellinse aufgebaut sind, erreichen jedoch maximal einen Konzentrationsfaktor von 1:1,3 bis 1:1,5. Dieser Konzentrationsfaktor kann allenfalls dadurch erhöht werden, daß der Kollektor mechanisch dem Sonnenlauf nachgeführt wird, wie es in den genannten Druckschriften auch jeweils beschrieben ist. Dies ist jedoch konstruktiv außerordentlich aufwendig. Bei den Fresnel-Linsensystemen ist zudem nachteilig, daß alle einzelnen im Querschnitt etwa dreieckförmigen Stufenlinsen unterschiedlich so berechnet und gestaltet werden müssen, daß die gewünschte Punkt- bzw. Linienfokussierung erreicht wird. Streulinsen erreichen zwar einen etwas höheren Konzentrationsfaktor von etwa 1:1,9. Dieser Kollektorentyp hat aber den großen Nachteil einer sehr schwierigen und kostenaufwendigen Fertigung. Seine in rohraxialer Richtung aufgebauten Linsen weisen eine geringste Dicke von ca. 3 mm, aber eine größte Dicke von 10 mm auf. Dies bringt bei der Herstellung durch Extrudieren Materialspannungen durch unterschiedliches Abkühlen des transparenten Materials mit sich. Diese Materialspannungen sind nur schwierig zu beherrschen und führen zu einem überdurchschnittlich hohen Herstellungspreis.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der auf besonders wirtschaftliche Weise ein höherer Konzentrationsfaktor und damit ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Energiekonzentrator zumindest in einem entsprechend dem täglichen Sonnenlauf mit Sonnenlicht bestrahlbaren Umfangsbereich eine aus einem transparenten Material bestehende Prismenanordnung mit einer Vielzahl von axial, parallel zum Absorber verlaufenden und umfänglich verteilt nebeneinander angeordneten Prismen aufweist, wobei alle Prismen einen gleichartigen und gleichschenkligen Querschnitt mit dem Absorber zugekehrten Spitzen aufweisen, wobei die Prismen durch die Spitzen verlaufende, ihren Prismenwinkel halbierende Achsen aufweisen, die im wesentlichen radial zur Mittelachse des Solarkollektors verlaufen, und wobei die Prismen als konvexprismatische Linsen mit dem Sonnenlicht zugewandten, konvex gekrümmten Außenflächen ausgebildet sind, wobei die Außenflächen jeweils von einer sich über den Bereich mehrerer oder aller Prismen erstreckenden, im Querschnitt kreisbogenförmigen Außenflächen des Energiekontzentrators gebildet sind, wobei durch die Geometrie der Prismen eine Flächenfokussierung des Sonnenlichtes derart erreicht wird, daß sich eine Fokussierungsfläche beim Sonnenlauf stets in einem zumindest anteilig den Bereich des Absorbers überdeckenden Bereich befindet.
Die erfindungsgemäße Prismenanordnung ist außerordentlich einfach und preiswert herstellbar, indem entweder transparentes, ursprünglich im wesentlichen flaches Film- bzw. Folienmaterial verwendet wird, welches auf einer Seite die Prismen und anderseitig eine ebene Oberfläche aufweist. Dieses Material braucht dann lediglich in eine Röhrenform oder zumindest in eine Röhrenschalenform (z.B. Halbschale) geformt zu werden. Aufgrund der besonderen, sehr einfachen Geometrie der erfindungsgemäßen Prismen ist vorteilhafterweise aber auch eine Herstellung des Energiekonzentrators als Kunststoff-Extrusionsteil möglich, was besonders wirtschaftlich ist.
Durch die Erfindung wird das Sonnenlicht über einen Sonnenlauf von mehr als 160° hinweg optimal ausgenutzt, d.h. nahezu vollständig auf den Absorber konzentriert. Dies kann vorteilhafterweise erreicht werden, ohne daß der Solarkollektor mechanisch dem Sonnenlauf nachgeführt werden müßte; vielmehr handelt es sich erfindungsgemäß um eine optisch einachsige Nachführung des Sonnenlaufs auf den Absorber. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß auch ohne mechanische Nachführung ein sehr beachtlicher Konzentrationsfaktor von mehr als 1:2,5 erreicht werden kann. Der Erfindung liegt diesbezüglich die Erkenntnis zugrunde, daß bei den bekannten Fresnel-Linsensystemen aufgrund einer dort bewirkten, genau zu berechnenden Punkt- bzw. Linien-Fokussierung im Falle einer Sonnenbewegung ohne mechanische Nachführung sehr schnell die Fokussierung gänzlich aus dem Bereich des Absorbers "wegwandern" würde. Mit der erfindungsgemäßen Prismenanordnung wird aufgrund der besonderen, gleichschenkligen Geometrie der Prismen, wobei bevorzugt alle Prismen auch bezüglich ihrer Querschnittsform gleichartig ausgebildet sind, bewußt eine Flächenfokussierung bewirkt, so daß vorteilhafterweise beim Sonnenlauf die Fokussierungsfläche sich stets in einem zumindest anteilig den Bereich des Absorbers überdeckenden Bereich befindet. Dies bedeutet, daß durch eine gewollte "Reststreuung" die Strahlung auf einen Flächenbereich konzentriert wird, der sich dann bei der Sonnenbewegung nur vergleichsweise geringfügig relativ zum Absorber verlagert. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine mechanische Nachführung des Systems entbehrlich. Ferner werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Prismenanordnung Umkehr- bzw. Totalreflexionen nahezu vollständig vermieden, da eine solche Totalreflexion jeweils allenfalls im Bereich nur eines der Prismen auftreten kann. Dies führt zu einem vernachlässigbar geringen Energieverlust.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung und besondere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungs- und Anwendungsbeispielen enthalten.
Anhand der Zeichnung soll nun die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen:
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß jede eventuell nur einmal unter Bezugnahme auf eine der Zeichnungsfiguren vorkommende Beschreibung eines Teils analog auch bezüglich der anderen Zeichnungsfiguren gilt, in denen dieses Teil mit dem entsprechenden Bezugszeichen ebenfalls zu erkennen ist.
Wie sich zunächst aus Fig. 1 ergibt, weist ein erfindungsgemäßer Solarkollektor 2 einen länglichen, bevorzugt aus Aluminium bestehenden Absorber 4 und einen den Absorber 4 über seine Länge hinweg und umfänglich zumindest bereichsweise umschließenden Energiekonzentrator 6 auf, der das Sonnenlicht optisch auf den Absorber 4 konzentriert, d.h. umlenkt. Zur Gewinnung von thermischer Energie ist der Absorber 4 rohrförmig ausgebildet, so daß er von einem geeigneten, insbesondere metalldotierten Wärmetransportmedium durchströmbar ist. Der Absorber 4 überträgt die auf ihn abgestrahlte Energie als Wärme auf das Wärmetransportmedium. Dabei ist das Wärmetransportmedium bevorzugt mit sehr kleinen Kupfer-Partikeln dotiert sowie dabei insbesondere derart inhibiert, daß eine elektrisch leitende Brücke zum bevorzugt aus Aluminium bestehenden Absorber 4 vermieden wird. Diese Maßnahme bewirkt vor allem einen effektiveren Korrosionsschutz.
Zusätzlich oder aber alternativ kann der Absorber 4 zur Erzeugung von elektrischer bzw. photovoltaischer Energie außenseitig photovoltaische Elemente 8 aufweisen. Diese sind insbesondere als außenseitige, oberflächige Beschichtung aus einem entsprechenden Halbleitermaterial (z.B. AlGaAS) ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist nun der Energiekonzentrator 6 zumindest in einem entsprechend dem täglichen Sonnenlauf mit Sonnenlicht (vgl. die Pfeile 10 in Fig. 1) bestrahlbaren Umfangsbereich eine aus einem transparenten ("glasklaren") Material bestehende Prismenanordnung 12 auf. Diese erfindungsgemäße Prismenanordnung 12 weist mindestens einen Umfangsbereich mit (rohr-)axial, parallel zum Absorber 4 verlaufenden und in Umfangsrichtung verteilt nebeneinander angeordneten Prismen 14 auf. Diese Prismen 14 bewirken ein Ablenken des Sonnenlichtes 10 derart, daß dieses auf den Absorber 4 konzentriert wird. Dies ist in Fig. 1 anhand von Pfeilen 16 angedeutet. Somit wirken die Prismen 14 als sogenannte Ablenkprismen, wobei erfindungsgemäß alle Prismen 14 gleichschenklig sowie vorzugsweise auch gleichartig ausgebildet sind. Damit sind vorzugsweise auch alle Prismenwinkel und alle Winkel zwischen jeweils benachbarten Prismenflächen gleich groß. Erfindungsgemäß sind dabei die Prismen 14 mit ihren Spitzen bzw. "brechenden Kanten" 18 dem Absorber 4 zugekehrt angeordnet, wobei die den Prismenwinkel halbierenden, durch die Spitzen 18 verlaufenden Achsen 19 im wesentlichen radial zur Mittelachse des Solarkollektors 2 verlaufen. Zudem ist es für einen besonders hohen Konzentrationsfaktor vorteilhaft,wenn die Prismen 14 auf ihren dem Sonnenlicht 10 zugewandten Seiten - im Querschnitt gesehen - konvex gekrümmte Außenflächen 20 aufweisen. Hierdurch sind "konvexprismatische Linsen" gebildet. Hierbei ist es insbesondere herstellungstechnisch besonders vorteilhaft, wenn die konvexen Außenflächen 20 der Prismen 14 von einer durchgehend konvexen, im Querschnitt insbesondere kreisbogenförmigen Außenfläche 22 des Energiekonzentrators 6 gebildet sind.
Vorzugsweise ist der Energiekonzentrator 6 mit einer den Absorber 4 insbesondere koaxial umschließenden Röhrenform ausgebildet. Dabei erstreckt sich die Prismenanordnung 12 entweder gemäß Fig. 1 über im wesentlichen den ganzen Röhrenumfang des Energiekonzentrators 6, oder aber gemäß Fig. 2 und 3 nur über einen insbesondere etwa halbschalenförmigen, d.h. sich etwa über 180° erstreckenden Teilbereich des Röhrenumfanges des Energiekonzentrators 6. Gemäß Fig. 2 ist dann der übrige, prismenfreie Teilbereich des Röhrenumfanges des Energiekonzentrators 6 als mit der Prismenanordnung 12 insbesondere einstückig verbundene Röhrenschale (Hohlzylindersektor) 24 ausgebildet. In der Ausführungsform nach Fig. 3 bildet die Prismenanordnung 12 lediglich eine Halbschale, wobei sich die Prismenanordnung 12 mit einem nicht dargestellten Gehäuseteil zu der Röhrenform ergänzt; dieses nicht dargestellte Gehäuseteil ist dann mit der Prismenanordnung 12 über geeignete,ebenfalls nicht dargestellte Verbindungsmittel verbunden, und zwar insbesondere derart, daß zwischen den Teilen im Bereich der seitlichen Endkanten 26 der halbschalenförmigen Prismenanordnung 12 eine Dichtigkeit gewährleistet ist. Der Zweck dieser Maßnahme wird im folgenden noch erläutert werden.
Wie sich nun aus Fig. 4 ergibt, kann die Prismenanordnung 12 mit Vorteil aus einem flexiblen, ursprünglich im wesentlichen flachen, d.h. einseitig eine ebene Oberfläche 28 und anderseitig die Prismen 14 aufweisenden Film- bzw. Folienmaterial 30 gebildet sein. Dieses Material 30 braucht dann vorteilhafterweise lediglich kreisbogenförmig bzw. zylinderschalenförmig verformt zu werden, wodurch dann aus der ebenen Oberfläche 28 die konvexe bzw. kreisbogenförmige Außenfläche 22 der Prismenanordnung 12 entsteht (vgl.Fig.4 mit Fig.4a sowie Fig.1). Dabei wird bei der Herstellung der Ausführungsform nach Fig. 1 mit dem Material 30 ein umfänglich geschlossener Hohlzylinder gebildet, wobei bevorzugt die aneinanderstoßenden Längsseitenkanten dicht miteinander verbunden werden, und zwar insbesondere stoffschlüssig, z.B. durch Kleben oder Verschweißen.
Wie sich nun ferner aus Fig. 4 ergibt, weist das bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3 bevorzugt für die Prismenanordnung 12 verwendete Material 30 eine Dicke D - gemessen von der äußeren Oberfläche 28 bis zu den Spitzen bzw. "brechenden Kanten" 18 - von mindestens 0,5 mm auf. Um eine bessere mechanische Stabilität zu erreichen, liegt die Dicke D aber vorzugsweise etwa im Bereich von 1,5 bis 2 mm. Dabei weisen die Prismen 14 - ausgehend von einer diese miteinander verbindenden Basis 32 - eine Höhe H etwa im Bereich von 0,15 bis 0,2 mm auf. Im "flachliegenden" Zustand des Materials 30 gemäß Fig. 4 weisen zudem die benachbarten Prismen 14 einen seitlichen Mittenabstand A (Abstand der Spitzen 18) voneinander auf, der etwa im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm liegt. Zudem schließen die aneinandergrenzenden Prismenflächen 34, 36 zweier benachbarter Prismen 14 einen Winkel α ein, der im flachen Zustand nach Fig. 4 im Bereich von etwa 96° liegt. Wird dann das Material 30 in die bevorzugte Kreisbogenform bzw. Hohlzylinderschalenform des Energiekonzentrators 6 gebracht, verkleinert sich der Winkel α' (Fig. 4a) bis auf etwa 60° bis 80°, insbesondere etwa 70°. Damit ist der Winkel α' in dieser Ausführungsform kleiner/gleich 90°. Durch diese Verformung des Materials 30 verringert sich dann auch der oben angegebene Abstand A zwischen den Prismenspitzen 18 entsprechend. Der Prismenwinkel β beträgt bei dieser Ausführungsform etwa 90°.
In Fig. 4a sind beispielhaft zwei Strahlengänge eingezeichnet, wodurch erkennbar ist, daß das Licht nach innen auf den Absorber konzentriert wird.
Der gesamte Solarkollektor 2 weist bevorzugt eine Länge von etwa 1 m und einen Außendurchmesser von etwa 150 mm auf.
Gemäß Fig. 1 ist bevorzugt vorgesehen, auf der dem Sonnenlicht 10 bzw. der Prismenanordnung 12 abgekehrten Seite "unterhalb" des Absorbers 4 einen Reflektor 38 anzuordnen. Dieser Reflektor 38 erstreckt sich axial und parallel zum Absorber 4 durch den insbesondere röhrenförmigen Energiekonzentrator 6. Dabei kann der Reflektor 38 - wie dargestellt - im Querschnitt winkelförmig oder aber parabolisch ausgebildet sein. Der Reflektor 38 ist mit einem sehr hohen Reflexionsgrad von etwa 95% ausgebildet, was durch eine Hochglanzverspiegelung erreicht werden kann. Der Reflektor 38 dient damit zur Reflexion derjenigen Sonnenstrahlen, die zunächst an dem Absorber 4 vorbei verlaufen, so daß nach Reflexion durch den Reflektor 38 diese Strahlen doch den Absorber 4 treffen. Dies ist in Fig. 1 anhand von Pfeilen 40 angedeutet. Zudem bewirkt der Reflektor 38 vorteilhafterweise auch eine Reflexion von vom Absorber 4 ausgehender Wärmestrahlung zurück auf den Absorber 4.
Für den Wirkungsgrad des Solarkollektors 2 ist es vorteilhaft, wenn der Raum 42 zwischen dem Absorber 4 und dem optischen Energiekonzentrator 6 evakuiert bzw. evakuierbar ist. Dies ist der Grund dafür, daß - wie oben bereits angedeutet - der röhrenförmige Energiekonzentrator 6 umfangsgemäß dicht (gas- und feuchtigkeitsdicht) ausgebildet sein sollte. Zur Evakuierung des Raumes 42 wird dann eine nicht dargestellte Vakuumpumpe verwendet, die vorzugsweise zumindest anteilig von der durch die photovoltaischen Elemente 8 gewonnenen elektrischen Energie gespeist wird. Diese bevorzugte Art der Evakuierung hat den entscheidenden Vorteil, daß das Vakuum praktisch über die gesamte Lebensdauer des Solarkollektors 2 aufrechterhalten werden kann. Dabei erfolgt die Evakuierung praktisch nur bei Sonneneinstrahlung, was besonders wirtschaftlich ist, weil nur dann eine Evakuierung sinnvoll ist. Dies bedeutet, daß beispielsweise nachts eine Evakuierung gar nicht erforderlich ist.
Wie sich nun weiterhin aus Fig. 1 ergibt, weist der Absorber 4 vorzugsweise Außenrippen 44 zur Vergrößerung seiner Energie aufnehmenden Oberfläche auf, wodurch auch solche Sonnenstrahlen "aufgefangen" werden, die nicht ganz genau auf das Zentrum bzw. auf die Mantelfläche des rohrförmigen Absorbers 4 treffen. Vorzugsweise tragen dann diese Außenrippen 44 die photovoltaischen Elemente 8. Der Absorber 4 bildet somit auch eine Trägerkonstruktion mit guten statischen Eigenschaften. Es ist zudem vorteilhaft, wenn der rohrförmige Absorber 4 auch Innenrippen 46 zur Vergrößerung seiner Energie an das Wärmetransportmedium abgebenden Innenfläche aufweist. Die bessere thermische Energieabgabe an das Wärmetransportmedium wird durch entsprechende Vergrößerung der "Reynolds-Zahl" und der "Nusselt-zahl" erreicht.
Alternativ (oder auch zusätzlich) zu den Innenrippen 46 kann mit besonderem Vorteil für den Absorber 4 auch ein Wärmetauscherrohr verwendet werden, dessen Rohrwandung insbesondere im sogenannten "Verbeulungsverfahren", wie es z.B. in der DE-A-25 57 215 beschrieben ist, derart "reliefartig" strukturiert ist, daß sickenartig verformte, in einer insbesondere wabenartigen (z.B. vier- oder sechseckig), flächendeckenden Verteilung angeordnete Flächenzonen sich nach innen in den Rohr-Innenquerschnitt erstrecken. Zweckmäßigerweise erfolgt dies vom Rohr-Inneren her durch Vakuum-Beaufschlagung der Rohrwandung, wodurch diese zonal "nach innen gezogen" wird. Die Strukturierung kann aber auch durch Beaufschlagung von außen und beispielsweise mechanisch gebildet werden.
Diese Maßnahme der "zonalen Sickenverformungen" führt zu beachtlichen Vorteilen. So wurde festgestellt, daß durch die Strukturierung der Innenwandung eine erheblich verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem Rohr und dem strömenden Wärmemedium erreicht wird, und diesbezüglich wurde erkannt, daß dies auf einer gesteigerten Tendenz des Mediums zur turbulenten Strömung beruht, d.h. durch die Strukturierung kann schon bei sehr geringer Pumpenleistung eine gute Verwirbelung des Wärmemediums erreicht werden, und zwar schon vor Erreichen der eigentlichen Reynoldszahl. Ferner wird auch eine sehr hohe mechanische Stabilität schon bei geringer Wandstärke erreicht, so daß der Absorber sehr dünnwandig mit nur der Hälfte oder sogar einem Drittel der bisher erforderlichen Wandstärke ausgebildet sein kann. Dies führt zu reduzierten Materialkosten. Bei dieser Ausführungsform werden dann bevorzugt die Enden des Absorbers zur mechanischen Halterung und zum Medium-dichten Anschluß eingegossen, was wegen der strukturierten, "unebenen" Oberfläche vorteilhaft ist.
Das beschriebene struktierte ("verbeulte") Wärmetauscherrohr kann mit Vorteil auch unabhängig von dem erfindungsgemäßen Solarkollektor für Temperierungszwecke allgemeiner Art, z.B. für Heiz- und/oder Kühlanlagen, verwendet werden.
Wie sich nun aus Fig. 5 bis 9 ergibt, weist der Solarkollektor 2 beidendig jeweils ein Halterungselement 50 auf. Diese Halterungselemente 50 fixieren sowohl den inneren Absorber 4 als auch den äußeren Energiekonzentrator 6 - und gegebenenfalls auch den Reflektor 38. Zudem dienen die Halterungselemente 50 auch zur Montage des Solarkollektors 2 insbesondere im Bereich eines Gebäudedaches. In der dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen,daß jedes Halterungselement 50 den röhrenförmigen Energiekonzentrator 6 endseitig dicht umschließt, und zwar insbesondere mit einem ringförmigen, elastischen Profildichtungselement 52 und/-oder durch Vergießen. Die dadurch erreichte Abdichtung dient dazu, in der oben beschriebenen Weise eine Evakuierung des Raumes 42 vornehmen zu können. Zudem haben die Dichtungselemente 52 die Aufgabe, auftretende Wärmeausdehnungen des Solarkollektors 2 aufzunehmen bzw. auszugleichen und so Materialspannungen zu vermeiden.
Gemäß Fig. 5 und 6 ist jedes Halteelement 50 gehäuseartig mit mindestens einer Aufnahmeöffnung 54 für ein Ende des Solarkollektors 2 ausgebildet, wobei in dieser Aufnahmeöffnung 54 das Dichtungselement 52 sitzt. Das gehäuseartige Halteelement 50 besteht zweckmäßigerweise aus zwei Gehäusehälften 56a und 56b mit einer von der Mittelachse des Solarkollektors 2 bestimmten Teilungsebene 58 (Fig. 6). Die Gehäusehälften 56a, b sind unter Einschluß des Solarkollektor-Endes fest miteinander verbindbar (verspannbar), und zwar vorzugsweise lösbar über Schraubverbindungen. Hierzu weist die eine, "untere" Gehäusehälfte 56b (siehe Fig. 5) insbesondere Sacklöcher 60 auf, in die nicht dargestellte, vorzugsweise selbstschneidende Schrauben, die Durchgangslöcher der anderen, "oberen" Gehäusehälfte 56a durchgreifen, einschraubbar sind. Zudem weist zumindest die eine Gehäusehälfte 56b Befestigungslöcher 62 auf, durch die zur Befestigung des Halterungselementes 50 einem dachseitigen, nicht dargestellten Halter entsprechende Schrauben geführt werden können.
Gemäß Fig. 5 ist jedes Ende des röhrenförmigen Energiekonzentrators 6 mit einem teller- bzw. stopfenartigen Führungselement 64 verschlossen,wobei mit dem Dichtungselement 52 auch der Ringspalt zwischen dem Energiekonzentrator 6 und dem Führungselement 64 abgedichtet ist. Jedes Führungselement 64 besitzt eine zentrische Öffnung 66 zum Durchführen eines endseitigen Rohrstückes 68 des Absorbers 4. Hierdurch ist der Absorber 4 zentrisch bzw. koaxial innerhalb des Energiekonzentrators 6 fixiert. Außerdem weist jedes Halterungselement 50 mindestens einen in den rohrförmigen Absorber 4 bzw. in das Rohrstück 68 übergehenden Anschluß 70 für eine Verbindungsleitung 71 (Zu- bzw. Ableitung; vgl. hierzu Fig. 7 bis 9) für das Wärmetransportmedium auf. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Gehäusehälften 56a, b zur Bildung dieser Anschlüsse 70 jeweils herausbrechbare Zonen 72 aufweisen, was durch die Bildung von entsprechenden "Sollbruchstellen" erreicht werden kann.
Diese beschriebene, bevorzugte Ausführung ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Montage. Hierzu werden lediglich der Absorber 4 und gegebenenfalls der Reflektor 38 in den röhrenförmigen Energiekonzentrator 6 eingeführt, und die Fixierung erfolgt dann über die Führungselemente 64. Die so gebildete Solarkollektor-Einheit 2 wird dann endseitig mit den Halterungselementen 50 versehen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Führungselemente 64 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, da hierdurch Wärmebrücken zwischen dem Absorber 4 und den Halterungselementen 50 vermieden werden.
Gemäß Fig. 7 bis 9 können mehrere erfindungsgemäße Solarkollektoren 2 in praktisch beliebiger Weise zusammengeschaltet werden. So ist in Fig. 7 beispielhaft eine Parallelschaltung veranschaulicht. Fig. 8 zeigt demgegenüber eine Reihenschaltung von mehreren Solarkollektoren 2. In diesem Beispiel nach Fig. 8 sind die Solarkollektoren 2 aber räumlich parallel zueinander angeordnet, so daß insgesamt ein "mäanderförmiger" Verlauf erreicht wird. Demgegenüber ist in Fig. 9 eine andere Art der Reihenschaltung veranschaulicht. Hier sind zwei (oder mehrere) Solarkollektoren 2 koaxial hintereinander angeordnet. Selbstverständlich können auch Anordnungen als Kombinationen der in Fig. 7 bis 9 veranschaulichten Schaltungsvarianten vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäßen Solarkollektoren 2 sind außerordentlich einfach und mit geringem Aufwand sowie auch in individueller Anpassung an den jeweiligen Montageort, z.B. an Dachformen, Brüstungen, Geländer, Dach(first)kanten usw., montierbar, wozu nicht zuletzt auch ein sehr geringes Gewicht beiträgt. Daher kann in der Regel zur Montage auf einen Kran oder dergleichen verzichtet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Solarkollektor handelt es sich um einen "Hochleistungskollektor". Bezogen auf eine meteorologische mittlere horizontale Sonneneinstrahlung von ca. 3 kwh/d wird bei einer physikalischen Fläche von ca. 1 m2 mit sieben Kollektoren 2 eine thermische Leistung von 6 kwh/d und gegebenenfalls zusätzlich eine photovoltaische Energie von etwa 1,1 kwh/d erreicht (gemessene Werte).
Es soll nun noch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung erläutert werden. Dabei handelt es sich darum, daß der Energiekonzentrator 6 zumindest im Bereich der Prismenanordnung 12 eine außenseitige, oberflächige Beschichtung (in der Zeichnung nicht erkennbar) insbesondere zur Verringerung der Oberflächen-Verschmutzung aufweist. Diese Oberflächen-Beschichtung besteht vorzugsweise aus transparenten Keramik-Partikeln mit einer im Nanometer-Bereich liegenden Größe (sog. "Nanokristalle"). Hierdurch entsteht eine extrem glatte, schmutzabweisende und auch mechanisch sehr (kratz-)feste Oberfläche, durch die auch eine elektrostatische Aufladung vermieden wird. Die Schmutz-Haftung wird wesentlich reduziert. Die Beschichtung kann aufgesprüht und/oder aufgewalzt werden. Durch diese vorteilhafte Maßnahme läßt sich die Oberflächen-Verschmutzung auf nur noch etwa 5% der "normalerweise" auftretenden Verschmutzung reduzieren, und dies vorteilhafterweise ohne jegliche Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften des Energiekonzentrators 6. Gleichzeitig wird auch ein mechanischer Oberflächenschutz erreicht.
Es soll nun anhand der Fig. 10 bis 12 eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiekonzentrators 6 erläutert werden. Dabei weist die Prismenanordnung 12 eine insbesondere symmetrisch zwischen zwei Prismenzonen 80 angeordnete, insbesondere prismenfreie Linsenzone 82 auf, in deren Bereich ein Linsenelement 84 angeordnet ist. Dieses Linsenelement 84 ist als langgestreckte, parallel zu den Prismen 14 und damit parallel zur Längserstreckung des Energiekonzentrators 6 verlaufende konvex/konkav-Linse ausgebildet, wobei sie sich mit ihrer konvex/konkaven Krümmung nach innen in den Energiekonzentrator 6 und somit radial in Richtung des Absorbers 4 erstreckt. Dabei sind eine konvexe Linsenfläche 86 dem Absorber 4 zugekehrt und eine gegenüberliegende konkave Linsenfläche 88 vom Absorber 4 abgekehrt. Vorzugsweise sind hierbei die beiden Prismenzonen 80 über einen den Kreisbogen bzw. Zylindermantel fortsetzenden, prismenfreien Verbindungsabschnitt 90 einstückig miteinander verbunden.
Das Linsenelement 84 dient dazu, auch solche Lichtstrahlen, die von den Prismen 14 quer, als eigentlich "am Absorber 4 vorbei laufende" Sekanten abgelenkt werden, nach innen zum Absorber 4 umzulenken. Dies ist in Fig. 12 anhand von Pfeilen 92 angedeutet.
Das Linsenelement 84 ist bevorzugt als gesondertes Teil hergestellt, z.B. extrudiert, und mit dem übrigen, vorzugsweise ebenfalls extrudierten, i.w. rohrförmigen Teil verbunden. Hierzu weist der rohrförmige Teil des Energiekonzentrators 6 vorzugsweise zwei etwa radial nach innen ragende, in Längsrichtung verlaufende Haltestege 94 auf, zwischen denen das Linsenelement 84 kraft- und/oder formschlüssig gehalten ist, indem es z.B. in axialer Richtung zwischen die Haltestege 94 eingeschoben oder aber durch elastische Verformung in radialer Richtung eingesetzt wird.
Im folgenden soll insbesondere anhand der Fig. 12 die besondere Geometrie des Energiekonzentrators dieser Ausführungsform nach Fig. 10 erläutert werden. Die Prismen 14 weisen eine in radialer Richtung gemessene Prismenhöhe H und eine Prismenschenkellänge L auf, wobei diese Maße in einem bestimmten Verhältnis zueinander sowie zum Außendurchmesser d = 2R (2 x Radius R) stehen, und zwar verhalten sich H : L : d wie 1 : etwa 2 : etwa 100. Besonders vorteilhaft für die Höhe des Konzentrationsfaktors ist das Verhältnis H : L : d = 1 : 1,98 : 100,83.
Bezüglich der Auslegung des Linsenelementes 84 sei B die Breite des Linsenelementes, Rv der Krümmungsradius der konkaven Linsenfläche 88 und Rx der Krümmungsradius der konvexen Linsenfläche 86. Es gilt dann im Verhältnis zur Prismenhöhe H die Beziehung H : B : Rv : Rx = 1 : etwa 95 bis 100 : etwa 60 bis 65 : etwa 60 bis 62, insbesondere 1 : 97 : 63,33 : 60,83.
Damit ergibt sich ein Winkelabstand γ der einzelnen Prismen 14 voneinander von etwa 2° (s. Fig. 11).
In einer realisierten Ausführungsform weisen die Haltestege 94 gemäß Fig. 11 eine Höhe h von etwa 3 mm, eine Breite v von etwa 1,5 mm sowie einen Winkelabstand αx (Fig. 10) voneinander von etwa 60° auf, so daß sich das Linsenelement 84 ebenfalls bevorzugt über diesen Umfangsbereich αx erstreckt. Damit ergibt sich eine Linsenbreite B von etwa 55 bis 60mm, insbesondere etwa 58,2 mm. Der Radius Rv beträgt etwa 38 mm, und Rx ist etwa gleich 36,5 mm. Die größte Dicke des Linsenelementes 84 beträgt dabei etwa 2 mm in radialer Richtung des Energiekonzentrators 6. Die Dicke a des Energiekonzentrators 6 in den prismenfreien Bereichen beträgt etwa 2 mm.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich die Prismenanordnung 12 bzw. die beiden Prismenzonen 80 in beiden Umfangsrichtungen über einen Halbkreis von 180° hinaus erstrecken, und zwar mit Erweiterungsabschnitten 96 von z.B. etwa 30°. Dies ist insofern von Vorteil, als bei der Montage der Solarkollektor 2 bzw. der Energiekonzentrator 6 mit seinem Linsenelement 84 durch Drehung um die Längsachse optimal zum jeweiligen Sonnenlauf, der ja je nach geographischer Lage unterschiedlich ist, ausgerichtet werden kann, dabei aber in jedem Fall noch in den seitlichen Endbereichen des "oberen Halbkreises" Prismen 14 angeordnet sind. Dies bedeutet, daß der Energiekonzentrator 6 ausgehend von der in Fig. 10 dargestellten Mittelstellung in beiden Richtungen zumindest um die Winkelerstreckung des Erweiterungsabschnittes 96 verdreht werden kann. Dies ist vor allem von Bedeutung bei einer Mehrfachanordnung mehrerer paralleler Solarkollektoren 2 (vgl. Fig. 7 und 8), da diese dann zur optimalen Ausnutzung der Sonnenenergie bzw. zur optimalen Energieverteilung über den Tag hinweg in an den Sonnenlauf angepaßten, insbesondere jeweils unterschiedlichen Drehstellungen montiert werden können, ohne daß hierfür unterschiedliche Ausführungsformen notwendig wären. Vielmehr kann ein einheitlich ausgebildeter Energiekonzentrator 6 hergestellt und für alle unterschiedlichen Ausrichtungen verwendet werden. Dies ist natürlich besonders wirtschaftlich.